2024鲁科版新教材高中化学选择性必修1同步练习--第1课时　化学平衡常数　平衡转化率（含解析）

2024鲁科版新教材高中化学选择性必修1
第2节　化学反应的限度
第1课时　化学平衡常数　平衡转化率
基础过关练
题组一　可逆反应的特征
1.往10 mL 0.2 mol·L-1 NaI溶液中滴加4~5滴0.1 mol·L-1 FeCl3溶液后,再进行下列实验,其中可证明FeCl3溶液和NaI溶液的反应为可逆反应的是(　　)
A.再滴加AgNO3溶液,观察是否有AgI沉淀产生
B.加入CCl4振荡后,观察下层液体颜色
C.加入CCl4振荡后,取上层清液,滴加AgNO3溶液,观察是否有AgCl沉淀产生
D.加入CCl4振荡后,取上层清液,滴加KSCN溶液,观察是否出现血红色
2.在密闭容器中有如下反应:X2(g)+Y2(g) 2Z(g)。已知:X2、Y2、Z的起始浓度分别为0.1 mol·L-1、0.3 mol·L-1、0.2 mol·L-1,在一定条件下,当反应达到平衡时,各物质的浓度可能是(　　)
A.c(X2)为0.2 mol·L-1　　
B.c(Y2)为0.2 mol·L-1
C.c(Z)为0.3 mol·L-1　　
D.c(Z)为0.4 mol·L-1
题组二　化学平衡状态的判断
3.在恒温、恒容条件下,可逆反应2HI(g) H2(g)+I2(g)在密闭容器中进行,下列能说明该反应已达到平衡状态的是(　　)
A.c(H2)与c(I2)保持相等
B.混合气体的颜色不再改变
C.容器内压强不随时间变化而变化
D.混合气体分子总数不随时间变化而变化
4.在恒温、体积为2 L的密闭容器中加入1 mol CO2和3 mol H2,发生反应:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH<0。下列可认定该可逆反应已达到化学平衡状态的是(　　)
A.容器中CO2、H2、CH3OH、H2O的物质的量之比为1∶3∶1∶1
B.v正(CO2)=3v逆(H2)
C.容器内混合气体平均相对分子质量保持不变
D.容器中CO2、H2、CH3OH、H2O的物质的量浓度都相等
5.(2021山西大学附中诊断)二甲醚(DME)被誉为“21世纪的清洁燃料”。下列能说明反应3H2(g)+3CO(g) CH3OCH3(g)+CO2(g)达到平衡状态的是(　　)
A.H2和CO2的浓度之比为3∶1
B.消耗3 mol H2的同时生成1 mol CO
C.恒温恒容条件下,气体的密度保持不变
D.绝热体系中,体系的温度保持不变
题组三　化学平衡常数
6.下列关于化学平衡常数的说法正确的是(　　)
A.在任何条件下,同一个反应的化学平衡常数是相同的
B.当改变反应物的浓度时,化学平衡常数会发生改变
C.化学平衡常数随反应体系压强的变化而变化
D.对于一个给定的化学方程式,化学平衡常数的大小只与温度有关,与反应物的浓度无关
7.(2021广东省实验中学期中)O3也是一种很好的消毒剂,具有高效、洁净、方便、经济等优点,O3可溶于水,在水中易分解,产生的[O]为游离氧原子,有很强的杀菌消毒能力。常温常压下发生反应如下:
反应①:O3 O2+[O]　ΔH>0,平衡常数为K1;
反应②:[O]+O3 2O2　ΔH<0,平衡常数为K2;
总反应:2O3 3O2　ΔH<0,平衡常数为K
下列叙述中正确的是(　　)
A.升高温度,K增大
B.K=K1+K2
C.适当升温,可提高消毒效率
D.压强增大,K2减小
题组四　化学平衡常数与平衡转化率的计算
8.(2021山东泰安新泰一中月考)某温度下,反应2SO3(g) 2SO2(g)+O2(g)的平衡常数K1=4×10-4 mol·L-1,在同一温度下,反应SO2(g)+O2(g) SO3(g)的平衡常数K2为(　　)
A.250 (mol·L-1　B.200 (mol·L-1
C.50 (mol·L-1　　D.2×10-2 (mol·L-1
9.(2021河南豫南九校联考)一定温度下,在2 L的恒容密闭容器中发生反应A(g)+2B(g) 3C(g)。反应过程中的部分数据如下表所示:
　　　n/mol t/min　　　 n(A) n(B) n(C)
0 2.0 2.4 0
5 0.9
10 1.6
15 1.6
下列说法正确的是(　　)
A.0~5 min用A表示的平均反应速率为0.09 mol·L-1·min-1
B.该反应在10 min后才达到平衡
C.平衡状态时,c(C)=0.6 mol·L-1
D.物质B的平衡转化率为20%
10.(2021山东聊城九校开学联考)已知:对于可逆反应aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g),在一定温度下的任意时刻,反应物的浓度和生成物的浓度有如下关系:Q=,Q叫做该反应的浓度商。QK,反应向逆反应方向进行。甲醇(结构式)是一种基础有机化工原料,应用广泛。工业上可利用废气中的CO2合成CH3OH,发生反应CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH=-49 kJ·mol-1。
(1)已知反应中的相关化学键键能数据如下:
化学键 O—H C—O CO
E/(kJ·mol-1) 465 343 750
氢气中H—H键比甲醇中C—H键　　　　(填“强”或“弱”)。相同条件下该反应的正反应活化能Ea(正)=216 kJ·mol-1,则逆反应活化能Ea(逆)=　　　kJ·mol-1。
(2)在1 L恒容密闭容器中充入CO2和H2,所得实验数据如下表:
实验 编号 温度/ ℃ 起始时物质 的量/mol 平衡时物 质的量/mol
n(CO2) n(H2) n(CH3OH)
① 150 0.23 0.19 0.03
② 200 0.10 0.26 0.02
③ 200 0.17 a 0.01
实验①平衡常数K=　　　　　　。实验②达到平衡时H2的转化率为　　　　。实验③a=　　　　。
能力提升练
题组一　化学平衡常数的计算与应用
1.(2022山东潍坊期中监测)工业生产硝酸过程中,反应Ⅰ、Ⅱ均会在氧化炉内发生。不同温度下,反应Ⅰ、Ⅱ的化学平衡常数如表所示。下列说法正确的是(　　)
温度(K) 化学平衡常数(mol·L-1)
反应Ⅰ:4NH3(g)+5O2(g) 4NO(g)+6H2O(g) 反应Ⅱ:4NH3(g)+3O2(g) 2N2(g)+6H2O(g)
500 1.1×1026 7.1×1034
700 2.1×1019 2.6×1025
A.反应Ⅰ、Ⅱ的ΔH均大于0
B.通过改变氧化炉的温度可促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ
C.通过改变氧化炉的压强可促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ
D.使用选择性催化反应Ⅰ的催化剂,可增大氧化炉中NO的含量
2.(2021福建永安一中期中)在300 mL的密闭容器中,加入镍粉并充入一定量的CO气体,一定条件下发生反应:Ni(s)+4CO(g) Ni(CO)4(g),已知该反应的平衡常数与温度的关系如表所示。下列说法不正确的是(　　)
温度(℃) 25 80 230
平衡常数/ (mol·L-1)-3 5×104 2 1.9×10-5
A.上述生成Ni(CO)4(g)的反应为放热反应
B.25 ℃时反应Ni(CO)4(g) Ni(s)+4CO(g)的平衡常数为2×10-5(mol·L-1)3
C.80 ℃反应达到平衡时,测得n(CO)=0.3 mol,则Ni(CO)4的平衡浓度为2 mol·L-1
D.在80 ℃时,测得某时刻Ni(CO)4、CO的浓度均为0.5 mol·L-1,则此时v(正)>v(逆)
3.(2022广东广州六校期中联考)在一定体积的密闭容器中,进行反应:2X(g)+Y(s) Z(g)+W(g)　ΔH=a kJ·mol-1,若其化学平衡常数K和温度T的关系如下表。下列叙述正确的是(　　)
T/℃ 700 800 900 1 000 1 200
K 0.6 1.0 1.3 1.8 2.7
A.a<0
B.若在4 L容器中加入X和Y各1 mol,在800 ℃下反应,某时刻测得X的物质的量为 mol,说明该反应已达到平衡状态
C.该反应的化学平衡常数表达式为K=
D.在1 200 ℃时,反应Z(g)+W(g) 2X(g)+Y(s)的平衡常数为2.7
题组二　化学平衡转化率的计算
4.在373 K时,把0.5 mol N2O4通入体积为5 L的恒容真空密闭容器中,立即出现红棕色气体。反应进行到2 s时,NO2的浓度为0.02 mol·L-1。在60 s时,反应达到平衡状态,此时容器内的压强为开始时的1.6倍。下列说法错误的是(　　)
A.前2 s以N2O4的浓度变化表示的平均反应速率为0.005 mol·L-1·s-1
B.在2 s时体系内的压强为开始时的1.1倍
C.平衡时体系内含0.2 mol N2O4
D.平衡时,N2O4的转化率为40%
5.某恒定温度下,在一个2 L的密闭容器中充入A气体和B气体,测得其浓度分别为2 mol/L、1 mol/L,且发生反应:3A(g)+2B(g) 4C( )+2D( ),已知“ ”代表C、D状态未确定,反应一段时间后达到平衡,测得生成1.6 mol C,且反应前后压强之比为5∶4,则下列说法中正确的是(　　)
①该反应的化学平衡常数表达式为K=
②B的平衡转化率为35%
③增大该体系压强,平衡向右移动,但化学平衡常数不变
④增加C的量,A、B的平衡转化率不变
A.①②　　B.②③　　
C.①④　　D.③④
6.将E和F加入密闭容器中,在一定条件下发生反应:E(g)+F(s) 2G(g)。平衡时G的体积分数随温度和压强的变化如下表所示:
温度/℃体积分数/%压强/MPa 1.0 2.0 3.0
810 54.0 a b
915 c 75.0 d
1 000 e f 83.0
①b②915 ℃、2.0 MPa下E的平衡转化率为60%
③该反应的ΔS>0
④K(1 000 ℃)>K(810 ℃)
上述①~④中正确的是(　　)
A.①②　　B.②③
C.②③④　　D.①②③④
题组三　综合考查
7.工业上利用净化后的水煤气在催化剂作用下与水蒸气发生反应制取氢气,化学方程式为CO(g)+H2O(g) H2(g)+CO2(g)。一定条件下,将4 mol CO与2 mol H2O(g)充入体积为2 L的密闭容器中,体系中各物质的浓度随时间变化如图所示:
(1)在0~4 min时间段内,H2O的反应速率v(H2O)=　　　mol/(L·min),该条件下反应的平衡常数K=　　　(保留两位有效数字)。
(2)该反应进行到4 min时,CO的转化率为　　　。
(3)若6 min时改变的外部条件为升温,则该反应的ΔH　　　0(填“>”“=”或“<”),此时反应的平衡常数　　　(填“增大”“减小”或“不变”)。
(4)下列能判断该反应达到化学平衡状态的依据是　　　。
a.混合气体的密度不变
b.混合气体中c(CO)不变
c.v正(H2O)=v正(H2)　
d.断裂2 mol H—O键的同时生成1 mol H—H键
(5)若保持与4 min时相同的温度,向体积为2 L的密闭容器中同时充入0.5 mol CO、1.5 mol H2O(g)、0.5 mol CO2和a mol H2,则当a=2.5时,上述反应向　　　　(填“正反应”或“逆反应”)方向进行;若要使上述反应开始时向逆反应方向进行,则a的取值范围为　　　　　　。
答案全解全析
基础过关练
1.D 2.C 3.B 4.C 5.D 6.D 7.C 8.C
9.C
1.D　可逆反应的特点是不能进行彻底,FeCl3和过量的NaI反应,若反应后的溶液中仍含有Fe3+,则说明该反应为可逆反应,所以向充分反应后的溶液中加KSCN溶液,溶液变为血红色,证明含有Fe3+,说明该反应为可逆反应。
2.C　若反应向正反应方向进行到达平衡状态,假定完全反应,则:
X2(g)+Y2(g) 2Z(g)
起始(mol·L-1)　　0.1　　0.3　　0.2
转化(mol·L-1)　　0.1　　0.1　　0.2
平衡(mol·L-1)　　0　　0.2　　0.4
若反应向逆反应方向进行到达平衡状态,Z完全转化为X2和Y2,假定完全反应,则:
X2(g)+Y2(g) 2Z(g)
起始(mol·L-1)　　0.1　　0.3　　0.2
转化(mol·L-1)　　0.1　　0.1　　0.2
平衡(mol·L-1)　　0.2　　0.4　　0
由于该反应为可逆反应,物质不能完全转化,所以平衡时浓度范围为00.4 mol·L-1,A、B、D错误,C正确。
3.B　A项,c(H2)与c(I2)保持相等,不能说明反应达到平衡状态;B项,混合气体的颜色不再发生改变,说明I2的浓度不变,反应达到平衡状态;C项,该反应是反应前后气体体积不变的反应,恒温恒容条件下混合气体物质的量不变,则容器内压强始终不变,不能说明反应达到平衡状态;D项,反应前后混合气体物质的量不变,所以混合气体分子总数始终不变,不能说明反应达到平衡状态。
4.C　A项,容器中CO2、H2、CH3OH、H2O的物质的量之比为1∶3∶1∶1,无法判断各组分的浓度是否还发生变化,所以无法判断反应是否达到平衡状态;B项,v正(CO2)=3v逆(H2),反应方向相反,但是不满足反应的化学方程式中化学计量数关系,说明反应没有达到平衡状态;C项,CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)反应中,反应前后气体物质的量不相等,气体总质量不变,若混合气体的平均相对分子质量保持不变,说明该反应达到平衡状态;D项,容器中CO2、H2、CH3OH、H2O的物质的量浓度都相等,无法判断各组分的浓度是否还发生变化,所以无法判断该反应是否达到平衡状态。
5.D　A项,H2和CO2的浓度之比为3∶1,无法判断反应是否达到平衡状态;B项,消耗3 mol H2的同时生成1 mol CO,正、逆反应速率不相等,说明反应没有达到平衡状态;C项,该反应中气体的密度为定值,气体的密度不变,不能说明反应达到平衡状态;D项,绝热体系中,体系的温度为变量,当体系的温度保持不变时,说明反应达到平衡状态;故选D。
6.D　平衡常数只与温度有关,温度不同,平衡常数不同,故A错误;平衡常数与反应物的浓度无关,故B错误;平衡常数不受压强的影响,改变压强,平衡常数不变,故C错误;平衡常数只与温度有关,与反应物的浓度无关,故D正确。
7.C　由总反应2O3 3O2　ΔH<0可知,正反应为放热反应,所以升高温度平衡向逆反应方向移动,平衡常数减小,故A错误;根据盖斯定律,反应①+②可得总反应,则K=K1×K2,故B错误;适当升温,反应速率增大,可提高消毒效率,故C正确;平衡常数只与温度有关,温度不变,平衡常数不变,故D错误。
8.C　反应2SO3(g) 2SO2(g)+O2(g)的平衡常数为4×10-4 mol·L-1,则SO3(g) SO2(g)+O2(g)的平衡常数为 (mol·L-1=
2×10-2 (mol·L-1,SO2(g)+O2(g) SO3(g)的平衡常数K2为
(mol·L-1=50 (mol·L-1,故选C。
9.C　根据表中数据列出三段式:
A(g)+2B(g) 3C(g)
起始物质的量(mol)　　 2.0　　2.4　　0
10 min转化物质的量(mol)0.4　　0.8　　1.2
10 min时物质的量(mol)　1.6　　1.6　　1.2
15 min时B的物质的量与10 min时B的物质的量相等,说明反应在10 min时已经达到平衡状态。0~5 min内,Δn(C)=0.9 mol,根据化学方程式可知,Δn(A)=Δn(C)=0.3 mol,所以用A表示的平均反应速率为v(A)==0.03 mol·L-1·min-1,故A错误;由上述分析可知,该反应在10 min时已经达到平衡状态,故B错误;平衡时,c(C)==0.6 mol·L-1,故C正确;物质B的平衡转化率为×100%≈33.3%,故D错误。
10.答案　(1)强　265　
(2)4.5 (mol·L-1)-2　23.1%　0.13
解析　(1)CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH=-49 kJ·mol-1,
ΔH=750 kJ·mol-1×2+E(H—H)×3-E(C—H)×3-465 kJ·mol-1-
343 kJ·mol-1-465 kJ·mol-1×2=-49 kJ·mol-1,E(H—H)×3-
E(C—H)×3=-49 kJ·mol-1-750 kJ·mol-1×2+465 kJ·mol-1+343 kJ·
mol-1+465 kJ·mol-1×2=189 kJ·mol-1,E(H—H)>E(C—H),氢气中H—H键比甲醇中C—H键强。相同条件下该反应的正反应活化能Ea(正)=
216 kJ·mol-1,则逆反应活化能Ea(逆)=216 kJ·mol-1+49 kJ·mol-1=
265 kJ·mol-1。
(2)在1 L恒容密闭容器中充入CO2和H2,列出三段式:
CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)
c(起始)/mol·L-1　　0.23　　0.19　　 0　　0
c(转化)/mol·L-1　　0.03　　0.09　　 0.03　　0.03
c(平衡)/mol·L-1　　0.2　　 0.1　　 0.03　　0.03
实验①平衡常数K= (mol·L-1)-2=4.5 (mol·L-1)-2。实验②达到平衡时H2转化率为×100%≈23.1%。实验②和实验③的温度相同,平衡常数相同,则 (mol·L-1)-2=
(mol·L-1)-2,解得a=0.13。
能力提升练
1.D 2.D 3.B 4.D 5.D 6.D
1.D　升高温度,反应Ⅰ、Ⅱ的化学平衡常数均减小,说明升高温度化学平衡逆向移动,逆反应为吸热反应,则反应Ⅰ、Ⅱ的正反应均为放热反应,ΔH均小于0,A错误;反应Ⅰ、Ⅱ的正反应均为放热反应,无法通过改变氧化炉的温度达到促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ的效果,B错误;反应Ⅰ、Ⅱ的正反应都是反应前后气体体积增大的反应,因此改变氧化炉的压强,会同时促进反应Ⅰ、Ⅱ的发生或抑制反应Ⅰ、Ⅱ的发生,C错误;使用选择性催化反应Ⅰ的催化剂,能够使装置中的NH3更多地发生反应Ⅰ,可增大氧化炉中NO的含量,D正确。
2.D　升高温度,平衡常数减小,说明平衡向逆反应方向移动,则逆反应是吸热反应,正反应是放热反应,A正确;25 ℃时Ni(s)+4CO(g) Ni(CO)4(g)的平衡常数为5×104(mol·L-1)-3,可推出25 ℃时反应Ni(CO)4(g) Ni(s)+4CO(g)的平衡常数为2×10-5(mol·L-1)3,B正确;80 ℃反应达到平衡时c(CO)==1 mol·L-1,K==
2 (mol·L-1)-3,则Ni(CO)4的平衡浓度为2 mol·L-1,C正确;在80 ℃时,该时刻Q==>K=2 (mol·L-1)-3,则此时反应向逆反应方向进行,v(正)3.B　由表格中的信息可知,随温度升高,平衡常数增大,则该反应的正反应为吸热反应,a>0,A错误;根据题意,可列出三段式:
2X(g)+Y(s) Z(g)+W(g)
起始物质的量/mol　　1　　 1　　 0　　0
转化物质的量/mol　　　　 　　 　　
某时刻物质的量/mol　　　 　　 　　
由于反应前后气体物质的量不变,则可用物质的量代替浓度计算浓度商,则Q==1=K,说明该反应已达到平衡状态,B正确;固体物质不能代入平衡常数表达式,则该反应的化学平衡常数表达式为K=,C错误;在1 200 ℃时,反应2X(g)+Y(s) Z(g)+W(g)的平衡常数为2.7,其逆反应Z(g)+W(g) 2X(g)+Y(s)的平衡常数应为≈0.37,D错误。
D　已知存在反应N2O4(g) 2NO2(g)。反应进行到2 s时,NO2的浓度从0增加到0.02 mol·L-1,则N2O4的浓度减小0.01 mol·L-1,所以以N2O4的浓度变化表示的平均反应速率为0.005 mol·L-1·s-1,A项正确;根据恒温恒容条件下气体的压强之比等于物质的量之比,反应进行到2 s时,容器内气体的总物质的量为n1=0.02 mol·L-1×5 L+
(0.5 mol-0.01 mol·L-1×5 L)=0.55 mol,所以===1.1,B项正确;在60 s时反应达到平衡,此时容器内的压强为开始时的1.6倍,则平衡时气体总物质的量为0.8 mol,设平衡时容器内n(N2O4)=x mol,则生成n(NO2)=2×(0.5-x)mol,即x mol+2×(0.5-x)mol=0.8 mol,
x=0.2,C项正确;平衡时,N2O4的转化率=×100%=60%,D项错误。
D　反应一段时间后达到平衡,测得反应前后压强之比为5∶4,所以该反应是反应前后气体体积减小的反应,C、D中至少一种不为气体,反应前A气体、B气体的物质的量分别为2 mol/L×2 L=4 mol、
1 mol/L×2 L=2 mol,生成1.6 mol C,则生成D的物质的量为
1.6 mol×=0.8 mol,参加反应的B的物质的量为1.6 mol×=0.8 mol、A的物质的量为1.6 mol×=1.2 mol,所以平衡时,A、B、C、D的物质的量分别为2.8 mol、1.2 mol、1.6 mol、0.8 mol,反应前气体总的物质的量为4 mol+2 mol=6 mol,反应前后压强之比为5∶4,则平衡时气体总的物质的量为6 mol×=4.8 mol,所以D为气体,C不为气体;该反应的化学平衡常数表达式为K=,①错误;B的平衡转化率为×100%=40%,②错误;该反应是一个反应前后气体体积减小的反应,增大该体系压强,平衡向右移动,平衡常数只与温度有关,温度不变,化学平衡常数不变,③正确;C不为气体,增加C的量,平衡不移动,所以A、B的平衡转化率不变,④正确;故选D。
6.D　E(g)+F(s) 2G(g)为反应前后气体分子数增加的反应,ΔS>0,③正确;增大压强,平衡逆向移动,G的体积分数减小,由题表中数据可知,升高温度,增大压强时,G的体积分数增大,故该反应为吸热反应,ΔH>0,K(1 000 ℃)>K(810 ℃),b7.答案　(1)0.2　2.7　(2)40%　(3)<　减小　(4)b　(5)正反应　a>4.05
解析　(1)根据图像可知,4 min时反应达到平衡状态,c平(CO)=
1.2 mol/L,c平(H2)=0.8 mol/L,c平(H2O)=0.2 mol/L,列出三段式:
CO(g)+H2O(g) H2(g)+CO2(g)
起始浓度(mol/L)　　2.0　　1.0　　0　　0
转化浓度(mol/L)　　0.8　　0.8　　0.8　　0.8
平衡浓度(mol/L)　　1.2　　0.2　　0.8　　0.8
在0~4 min内,v(H2O)===0.2 mol/(L·min),平衡常数K=≈2.7。
(2)该反应进行到4 min时,CO的转化率=×100%=40%。
(3)若6 min时改变的外部条件为升温,由图像可知,升高温度,氢气的浓度减小,一氧化碳和H2O(g)的浓度增大,说明平衡逆向移动,逆反应为吸热反应,正反应为放热反应,所以该反应的ΔH<0,此时反应的平衡常数减小。
(4)a项,反应前后混合气体的质量和体积均不变,所以混合气体的密度始终不变,不能说明反应达到平衡状态;b项,混合气体中c(CO)不变,说明反应达到平衡状态;c项,v正(H2O)=v正(H2),均表示正反应,不能说明反应达到平衡状态;d项,断裂2 mol H—O键的同时生成1 mol H—H键,都表示正反应,不能说明反应达到平衡状态;故选b。
(5)若保持与4 min时相同的温度,向体积为2 L的密闭容器中同时充入0.5 mol CO、1.5 mol H2O(g)、0.5 mol CO2和a mol H2,则当a=2.5时,Q=≈1.72.7,a>4.05。
18